Abstract The extracellular matrix is not just a scaffold for cells and tissues, but rather a dynamic part of the human body. Characteristics of collagens, the major protein components of the extracellular matrix, are determined already during synthesis and mutations in genes encoding collagens, unbalance of regulators or dysfunction of collagen modifying enzymes, for instance, can lead to severe clinical complications. Certain hydroxylysine residues formed by lysyl hydroxylases (LHs) function in collagens as precursors of collagen cross-links that stabilize collagenous structures and thereby tissues. In humans, a deficiency of LH1, which is known to hydroxylate lysines in the helical regions of collagen polypeptides, causes Ehlers-Danlos syndrome VIA (EDS VIA). It is characterized e.g. by progressive kyphoscoliosis and hypermobile joints. Mutations in LH2, which is known to hydroxylate lysines in the telopeptides of collagen polypeptides, cause Bruck syndrome type 2 (BS2). BS2 patients suffer from fragile bones and congenital joint contractures, for instance, but the syndrome is usually not lethal. In this work we have generated and analyzed genetically modified LH1 and LH2 null mouse lines to study the in vivo functions and roles of these enzymes. Analyses concentrated also on collagen cross-links that were determined from several null or heterozygous mouse tissues. In the present work we also studied the effects of known BS2 mutations on recombinant human LH2 polypeptides to understand the molecular pathology of the syndrome. As an animal model for human EDS VIA, LH1 null mice had certain characteristics typical for EDS VIA, such as muscular hypotonia, but generally the symptoms were milder. Like EDS VIA patients, the mice have an increased risk of arterial ruptures and ultrastructural changes can be seen in the wall of the aorta, explained by inadequate helical lysine hydroxylation accompanied by a changed cross-linking state of tissues. Similarly, analysis of the LH2 null mouse line demonstrated the importance of the enzyme in cross-link formation. We showed that even a reduced amount of LH2 in adult mice changes the cross-linking pattern in tissues and a total lack of the enzyme leads to embryonic lethality. Furthermore, we demonstrated that LH2 is particularly important in tissue structures supporting blood vessels in the developing mouse embryo or in extraembryonic tissues. Finally, our in vitro studies with recombinant human LH2 polypeptides revealed that the known BS2 mutations severely affect the activity of the enzyme thus explaining the clinical symptoms of the patients, but the mutations do not lead to a total inactivation of the enzyme, which may be critical for the survival of patients. / Tiivistelmä Solunulkoinen matriksi ei ole ainoastaan soluja ja kudoksia tukeva rakenne, vaan se on dynaaminen osa ihmiskehoa. Kollageenien, solunulkoisen matriksin yleisimpien proteiinien ominaisuudet määräytyvät jo kollageenien synteesivaiheessa ja mutaatiot kollageeneja koodittavissa geeneissä, säätelytekijöiden epätasapaino tai esimerkiksi kollageeneja muokkaavien entsyymien toimintahäiriöt voivat johtaa vaikeisiin kliinisiin komplikaatioihin. Tietyt lysyylihydroksylaasien (LH) muodostamat hydroksilysiinitähteet toimivat kollageeneissa kollageeniristisidosten esiasteina. Ristisidokset vakauttavat kollageenirakenteita ja siten myös kudoksia. LH1 hydroksyloi lysiinejä kollageenipolypeptidien kolmoiskierteisellä alueella ja ihmisellä entsyymin puutos aiheuttaa tyypin VIA Ehlers-Danlosin syndrooman (EDS VIA), jossa potilailla on esimerkiksi etenevää kyfoskolioosia ja yliliikkuvat nivelet. Mutaatiot LH2-entsyymissä, joka hydroksyloi lysiinejä kollageenipolypeptidien telopeptidialueilla, aiheuttavat tyypin 2 Bruckin syndrooman (BS2). BS2-potilaat kärsivät mm. luiden hauraudesta ja niveljäykkyydestä, mutta syndrooma ei yleensä ole letaali. Tässä työssä loimme ja analysoimme geneettisesti muunnellut LH1 ja LH2 hiirilinjat, joiden kyseinen LH-geeniaktiivisuus on hiljennetty. Linjojen avulla halusimme tutkia näiden entsyymien toimintaa ja merkitystä in vivo. Analyysit keskittyivät myös kollageeniristisidoksiin, joita tutkittiin useista poistogeenisten tai heterotsygoottisten hiirten kudoksista. Ymmärtääksemme BS2:n molekyylipatologiaa, tutkimme tässä työssä myös tunnettujen BS2-mutaatioiden vaikutuksia ihmisen LH2-rekombinanttiproteiinissa. EDS VIA:n eläinmallina LH1 poistogeenisillä hiirillä on joitakin ominaisuuksia, kuten lihashypotonia, jotka ovat tyypillisiä EDS VIA:lle, mutta yleisesti oireet ovat lievempiä. Kuten EDS VIA-potilailla, hiirillä on kohonnut valtimoiden repeytymisriski ja aortan seinämän ultrarakenteessa voidaankin havaita muutoksia. Oireita voidaan selittää riittämättömällä kollageenien kolmoiskierteisen alueen lysiinien hydroksylaatiolla, joka muuttaa kollageenien ristisidostilaa kudoksissa. Myös LH2-hiirilinjan analysointi osoitti kyseisen entsyymin tärkeyden ristisidosten muodostamisessa. Jo alentunut LH2:n määrä aikuisissa hiirissä muuttaa kudosten kollageeniristisidoksia ja täydellinen entsyymin puuttuminen johtaa sikiön kuolemaan. Lisäksi osoitimme, että LH2 on erityisen tärkeä kudosrakenteissa, jotka tukevat kehittyvän hiiren sikiön tai sikiön ulkopuolisten kudosten verisuonia. In vitro-tutkimukset ihmisen LH2-rekombinanttiproteiinilla paljastivat, että tunnetut BS2-mutaatiot vaikuttavat erittäin haitallisesti entsyymin toimintaan, mikä selittää potilaiden kliiniset oireet, mutta mutaatiot eivät kuitenkaan aiheuta entsyymin täydellistä inaktivaatiota, mikä voi olla kriittistä potilaiden selviytymisen kannalta.

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The goal of this master´s thesis is to design load bearing structure of a sports hall. The thesis is elaborated in two variants of the structure design of the sports hall for common types of sports (handball, footsal, tennis, volleyball, basketball). The ground plan dimension is 42 to 72 meters and the construction height is 8 meters. The construction is designed for the district of Brno city. In the structural anlysis there were the following main load bearing structural elements designed and examined: glue laminated timber truss, wood purlins, steel beams, rods and bracing, columns, which together with the transverse girders are linked and foot and anchoring. The selected variant is also further developed. Part of the work is drawing documentation of the choosen variant, disposition drawing and drawings of the selected details.

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L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon. / Islet of Langerhans inmmunoisolation is proposed as a way to avoid the use of immunosuppressive drugs after transplantation. Microcapsules, the immuno-isolating device, are composed of alginate and poly-L-lysine and the protection of the graft is granted by a semi-permeable membrane. This membrane allows small molecules to freely diffuse within the microcapsule, such as nutrients, glucose and insulin while protecting the graft against the host immune system. Biocompatibility is one of the challenges that must be addressed before the successful clinical application of this device. Microcapsules biocompatibility is related, first, to the biocompatibility of alginate, the polymer used to made microcapsules and second, to the in vivo stability of these microcapsules. In facts, it is well know that the use of an unpurified alginate containing many foreign contaminants to make microcapsules induce the host reaction against microcapsule (HRM). Moreover, damaged or broken microcapsules can allow the dissemination of cells from the encapsulated graft, activating the host immune system. We believe that a better understanding of the initiation processes of the HRM in terms of alginate purification efficacy to remove contamination as well as an improve microcapsule stability will increase microcapsules biocompatibility. Results reported in this thesis suggest that foreign proteins found in alginate are playing a key role in the initiation of HRM and that the reduction of these foreign proteins, by the improvement of alginate purification processes, improves microcapsules biocompatibility. In order to increase microcapsules stability, we also described and characterized an innovative type of microcapsules which involve covalent bonds. These covalently cross-linked microcapsules were found to by highly resistant and stable. The novel fabrication process of these microcapsules was not harmful for the encapsulated cell survival and was also found to confine the graft inside the microcapsules. This characteristic enables us to increase microcapsules biocompatibility by the protection of the host from the encapsulated cells.

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon. / Islet of Langerhans inmmunoisolation is proposed as a way to avoid the use of immunosuppressive drugs after transplantation. Microcapsules, the immuno-isolating device, are composed of alginate and poly-L-lysine and the protection of the graft is granted by a semi-permeable membrane. This membrane allows small molecules to freely diffuse within the microcapsule, such as nutrients, glucose and insulin while protecting the graft against the host immune system. Biocompatibility is one of the challenges that must be addressed before the successful clinical application of this device. Microcapsules biocompatibility is related, first, to the biocompatibility of alginate, the polymer used to made microcapsules and second, to the in vivo stability of these microcapsules. In facts, it is well know that the use of an unpurified alginate containing many foreign contaminants to make microcapsules induce the host reaction against microcapsule (HRM). Moreover, damaged or broken microcapsules can allow the dissemination of cells from the encapsulated graft, activating the host immune system. We believe that a better understanding of the initiation processes of the HRM in terms of alginate purification efficacy to remove contamination as well as an improve microcapsule stability will increase microcapsules biocompatibility. Results reported in this thesis suggest that foreign proteins found in alginate are playing a key role in the initiation of HRM and that the reduction of these foreign proteins, by the improvement of alginate purification processes, improves microcapsules biocompatibility. In order to increase microcapsules stability, we also described and characterized an innovative type of microcapsules which involve covalent bonds. These covalently cross-linked microcapsules were found to by highly resistant and stable. The novel fabrication process of these microcapsules was not harmful for the encapsulated cell survival and was also found to confine the graft inside the microcapsules. This characteristic enables us to increase microcapsules biocompatibility by the protection of the host from the encapsulated cells.